Способы определения качества заполнителей

Качественные показатели заполнителей — основной составляющей бетонов по массе и объему — существенно влияют на расход цемента и физико-механические свойства бетонных смесей и бетонов, их стоимость. Л. И. и О. Л. Дворкины рассказывают о технологиях определения качества заполнителей.

Определение основных качественных показателей заполнителей бетона стандартизировано. В Российской Федерации основными нормативными показателями, устанавливающими методы испытаний заполнителей бетона, являются ГОСТы 8735–88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний», 8269.0–97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний», 9758–86 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний».

Стандартные испытания заполнителей выполняют при проведении геологической разведки, контроле качества на предприятии-изготовителе и входном контроле на предприятии-потребителе заполнителей бетона.

В табл. 1 приведены основные показатели качества заполнителей, сущность методов их определения и направления использования.

Таблица 1

Основные показатели качества заполнителей и методы их определения

Показатель качества, расчетная формула		Метод определения		Направление использования
Насыпная плотность: , где m — масса заполнителя в насыпном состоянии; V — объем заполнителя		С помощью стандартных мерных цилиндрических сосудов		Для установления марки пористых заполнителей. Для расчета складских помещений, бункеров, дозаторов, составов бетонных смесей и др.
Плотность зерен и вещества заполнителя: , где m — масса зерен; V — объем зерен		Гидростатическое взвешивание (для определения плотности зерен); пикнометрический метод (для определения плотности вещества — истинной плотности)		Для расчета составов бетонных смесей; расчета пустотности заполнителей; пористости зерен и др.
Межзерновая пустотность (Vпуст) и пористость зерен заполнителя (Vпор): где rз — плотность зерен, г/см3; r — плотность вещества заполнителя		Расчетный метод; экспериментальное определение объема пустот по объему непоглощенной воды		Для расчета составов бетонных смесей; расчета необходимого объема цементного теста и др.
Влажность (W) и водопоглощение (Wвп) заполнителя: где mвл, mсух, mнас — масса пробы соответственно в состоянии естественной влажности, сухом и водонасыщенном состоянии		Взвешивание пробы в естественном, сухом и водонасыщенном состоянии		Расчет производственных составов бетонных смесей
Коэффициент формы зерен: , где Днаиб и Днаим соответственно наибольший и наименьший размеры зерна, мм		Измерение размера зерен, соотношения толщины и ширины зерен к их длине		Определение содержания пластинчатых (лещадных) и игловидных зерен (с толщиной или шириной меньше длины в 3 и более раз); расчеты удельной поверхности и др.
Зерновой (гранулометрический) состав с определением частных (аn) и полных (Аn) остатков на ситах: , Аn = а1+…+аn, где mn — масса пробы, оставшаяся при просеивании на сите n; М — масса всей пробы		Просеивание на стандартных ситах		Расчет модуля крупности (для песка) ; построение кривой просеивания; расчет удельной поверхности и др.
Содержание отмучиваемых (пылевидных, глинистых и илистых) примесей: где m, m1 — масса пробы заполнителя соответственно до и после отмучивания		Промывка пробы заполнителя с последовательным сливанием загрязненной и добавлением чистой воды		Оценка возможного влияния заполнителя на водопотребность бетонной смеси, прочность, морозостойкость и другие свойства бетона
Прочность (R) и дробимость (Др): где P — разрушающее усилие; F — площадь поперечного сечения образца; m — масса испытанной пробы; m1 — масса остатка на контрольном сите после испытания		Испытание на сжатие кубических или цилиндрических образцов исходной породы; раздавливание пробы однофракционного щебня (гравия) в цилиндре на гидравлическом прессе с усилием 200 кН и просеиванием через сито с размером отверстия в 4 раза меньше наименьшего размера исходных зерен. Для пористых заполнителей определяют нагрузку, необходимую для сдавливания пробы на 1/5 часть занимаемого ею объема			Оценка пригодности заполнителя для бетона требуемого класса прочности
Коэффициент размягчения Кр (водостойкость): , где Rнас и Rсух предел прочности заполнителя соответственно в насыщенном водой и в сухом состоянии		Определение прочности заполнителя при прямом или косвенном (в цилиндре по дробимости) испытании в сухом и водонасыщенном состоянии			Оценка пригодности использования заполнителя в бетоне, подвергаемом систематическому воздействию воды
	Морозостойкость: , где m1 — масса пробы до испытания; m2 — масса остатка на сите, соответствующем минимальному размеру испытываемой фракции после испытания на требуемое число циклов замораживания и оттаивания		Определение потерь массы в % после испытания пробы заполнителя в лабораторной морозильной камере при температуре замораживания –17 – –25 °С с предварительным насыщением в воде			Оценка пригодности применения заполнителя для бетонов, подвергаемых замораживания и оттаиванию
	Содержание органических примесей		С помощью колориметрической (цветовой) пробы			Оценка возможного влияния заполнителя на прочность и долговечность бетона

При необходимости более детальной оценки возможного влияния заполнителей на свойства бетона определяется химико-минералогический состав заполнителей, их структура. При наличии в заполнителе по данным петрографического анализа минералов, содержащих аморфный кремнезем (опала, халцедона и др.) проводится специальное исследование реакционной способности заполнителя (обычно песка) взаимодействовать со щелочами цемента. Химический метод определения реакционной способности песка предусматривает выдерживание его пробы с раствором гидроксида натрия в термостате при температуре 80 °С в течение 24 часов с определением массы растворившегося кремнезема. Если она превышает предел, установленный ГОСТом 8735–88, песок относится к потенциально реакционноспособному, и должна быть выполнена его специальная проверка в бетоне.

Действующие стандарты не предлагают определенной методики проверки, но указывают на необходимость учета условий эксплуатации сооружений (ГОСТ 26633–91). Оценку деструктивного влияния реакционной способности заполнителей можно производить по величине деформаций расширения образцов — балочек из цементно-песчаного раствора, твердеющих в заданном режиме в течение года. Для более раннего проявления деформаций расширения проводят тепловлажностную обработку образцов. Аналогичным образом проверяют допустимость присутствия в заполнителе других вредных примесей (оксидов железа, слюды, сернокислых и сернистых соединений, извести).

Для определения содержания вредных серосодержащих примесей в песке находят общее содержание серы, затем — содержание сульфатной серы и по их разности вычисляют содержание сульфидной серы. При наличии в песке только сульфатных соединений общее содержание серы не определяют.

Содержание глины в комках определяют путем отбора частиц, отличающихся от зерен заполнителя вязкостью. Пробу заполнителя увлажняют и выделяют комки глины.

Заполнители на основе металлургических и топливных шлаков дополнительно испытывают на стойкость к силикатному и железистому распаду. В соответствии с ГОСТ 9758–86 для проверки стойкости шлакового щебня к силикатному распаду пробу испытывают пропариванием над кипящей водой или в автоклаве в среде насыщенного пара при давлении 0,2 МПа. Шлаковый щебень считается стойким к силикатному распаду, если в результате испытаний потери массы данной фракции не превышает 5 %.

В топливных шлаках проверяется содержание остатков несгоревшего топлива согласно ГОСТ 26644–85 методом прокаливания. Оно ограничивается интервалом 3–7 % в зависимости от вида топлива и назначения бетона.

Все виды строительных материалов, в том числе природные и искусственные заполнители, подлежат контролю содержания радионуклидов. В соответствии с действующими строительными нормами материалы могут быть разделены на три класса в зависимости от суммарной удельной активности природных радионуклидов:

I — не более 370 Бк/кг (для всех видов строительства без ограничений);

II — от 370 до 740 Бк/кг (для дорожного и промышленного строительства в границах территории населенных пунктов);

III — от 740 до 1350 Бк/кг (для дорожного строительства за пределами населенных пунктов и строительства подземных сооружений, покрытых слоем грунта толщиной более 0,5, где исключено длительное пребывание людей).

Для контроля содержания радионуклидов заполнители подвергают гаммаспектрометрическому анализу.

При необходимости заполнители подвергают специальным испытаниям как регламентируемым, так и не регламентируемым государственными стандартами.

Для щебня, используемого при возведении балластного слоя железнодорожных путей, определяют электроизоляционные свойства измерением удельной электропроводимости насыщенного раствора, получаемого при перемешивании измельченного щебня с дистиллированной водой (ГОСТ 8269.0–97).

Истираемость (износ) щебня (гравия) определяют по потере массы зерен при испытании пробы в полочном барабане с шарами (ГОСТ 8269.0–97). Подготовленную пробу загружают в полочный барабан вместе с чугунными или стальными шарами и приводят его во вращение со скоростью 30–33 об/мин. По окончании испытания содержимое барабана просеивают через сито с отверстиями диаметром 5 мм и контрольное сито с сеткой № 1,25. Остатки на ситах соединяют и взвешивают.

Истираемость щебня И, %, определяют по формуле:

,

где m — масса пробы щебня (гравия), г;

m1 — суммарная масса остатков на сите с отверстиями диаметром 5 мм и контрольном сите, г.

Сопротивление щебня (гравия) удару на копре определяют по степени разрушения зерен, оцениваемой изменением зернового состава пробы (ГОСТ 8269.0–97). После 40 ударов бойка копра взятую пробу просеивают через сита с отверстиями 5; 3; 1 и 0,5 мм, остатки на каждом сите взвешивают и определяют полные остатки на каждом сите. Сопротивление щебня (гравия) удару на копре У определяют по формуле:

,

где А — показатель крупности пробы после испытания, определяемый по формуле:

,

где m1, m2, m3, m4 — полные остатки на ситах с отверстиями диаметрами 5; 3; 1 и 0,5 мм, г;

m — первоначальная масса пробы, г.

Для пористых заполнителей может измеряться теплопроводность с помощью различных приборов для уточнения влияния особенностей состава и структуры.

Как прямым определением адсорбционным методом или по способности заполнителя удерживать на своей поверхности пленку парафина, так и ориентировочно с помощью расчета находят удельную поверхность песка и щебня (гравия). Для расчетного определения удельной поверхности заполнителя (в м2/кг) широко используется формула А. С. Ладинского:

,

где a, b, c, d, f — частные остатки соответственно на ситах с размерами отверстий 2,5; 1,25; 0,65; 0,315; 0,16 мм и количество заполнителя, проходящее через сито 0,16 мм.

Расчетным путем ориентировочно могут быть вычислены и некоторые другие показатели качества заполнителей. Так, прочность пористых заполнителей можно рассчитать по формуле:

,

где А — параметр данного материала, численно равный его прочности при плотности, равной 1. Для материалов зернистой структуры n в среднем составляет около 4.

Для ускоренной оценки свойств заполнителей в лабораторной практике находят применение некоторые ускоренные методы испытаний. Так, для определения морозостойкости заполнителей производят попеременное насыщение пробы в растворе сернокислого натрия и высушивание в сушильном шкафу при 105–110 °С. После установленного числа циклов пробу высушивают, просеивают через сито и определяют потери массы.

Наряду с непосредственным испытанием зерен или навески заполнителей в насыпном или уплотненном состоянии проводят также испытания заполнителей в растворных и бетонных смесях. Такие испытания моделируют поведение заполнителей в композиционных материалах и дают важную дополнительную информацию об их свойствах и сравнительной эффективности. В частности, для расчета составов бетонов на пористых заполнителях ГОСТом 9758–86 предусмотрена методика определения плотности зерен заполнителя в цементном тесте. Зная плотность зерен заполнителей в воздушной среде rз и в цементном тесте можно найти относительный объем открытых пор, которые заполняются в бетоне цементным тестом:

,

где V0 — объем открытых пор в зернах заполнителя, см3,

V — суммарный объем зерен заполнителя.

Б. Г. Скрамтаевым и Ю. М. Баженовым [см. Баженов Ю. М. Технология бетона. — М., Высшая школа, 1987] был предложен метод определения водопотребности заполнителей, основанный на подборе смесей одинаковой подвижности с испытываемым заполнителем и без него. В соответствии с этим методом водопотребность песка (Вп) и крупного заполнителя (Вщ) рассчитывают по формулам:

где (В/Ц)р — водоцементное отношение цементно-песчаного раствора;

(В/Ц)ц — то же цементного теста нормальной густоты,

2 — число частей заполнителя на 1 ч. цемента;

(В/Ц)б — водоцементное отношение бетонной смеси;

3,5 — число частей крупного заполнителя (состав бетонной смеси: 1:2:3,5).

Известен и ряд других экспериментальных методик определения водопотребности заполнителей (А. А. Аракеляна, Г. И. Горчакова и др.).

Способ испытания крупного заполнителя в бетоне разработан в НИИЖБе. По этому способу испытывают образцы бетона с различным расходом заполнителя. В/Ц принимают в соответствии с расчетом для получения бетона требуемой прочности.

Экспериментальные методы оценки качества заполнителей в бетоне предложены ВНИИЖелезобетоном, ВНИИНерудом и другими научными коллективами и отдельными исследователями [см. Ицкович С. М., Чумаков Л. Д., Баженов Ю. М. Технология заполнителей бетона. — М.: Высшая школа, 1991].